数字信号处理课程教学改革探讨

李莉

（华侨大学 厦门工学院 电子信息工程系，福建 厦门 361000）

数字信号处理课程教学改革探讨

李莉

（华侨大学 厦门工学院 电子信息工程系，福建 厦门 361000）

《数字信号处理》课程理论性强，学生普遍反映较难理解且无法将所学知识在实际中运用。针对此情况，本文分别通过课堂教学以及实践教学改革进行讨论，注重理论教学与实践教学的有机结合，激发学生的学习兴趣，促进学生动手能力和创新能力的提高。

数字信号处理；教学辅助；CDIO；工程实践

一、引言

随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理[1-2]在现代科技中的地位越来越重要，在电子信息、通信等各个领域，都具有广泛的应用。《数字信号处理》已成为国内外高校为电子信息、通信等专业学生开设的专业基础课。通过该课程的学习旨在让学生正确的掌握数字信号处理的基本原理及分析方法，为今后从事信号处理工作打下良好的基础。

该课程理论性较强，原理抽象，公式及推导烦琐，学生普遍反映较难理解且无法很好地将所学知识进行灵活的实际运用。我院将该课程理论教学与实践教学有机结合，并进一步深化CDIO工程教育理念[3]，对数字信号处理课程进行优化改革。数字信号处理课程与工程应用实践联系紧密，让学生从工程应用角度理解相关知识更有意义。针对不同阶段、不同知识点灵活运用引导式、启发式和讨论式教学方法，利用专题讲解的形式介绍数字信号处理学科领域的具体应用和前沿知识，激发学生的求知欲。通过一系列的实践教学及课程改革，促进学生实践能力和创新能力的提高。

二、课堂教学

1.辅助教学软件的开发与应用。数字信号课程大量运用数学公式、系统理论，抽象难懂。数字信号处理的一些基本概念和方法往往被众多烦琐的数学公式推导所掩盖。传统的教学方式大多采用板书的形式将数学公式和定理证明进行分析与推导。大量的板书只会让学生觉得枯燥乏味，注意力往往无法集中。然而，采用课件演示方法进行讲解也只是简单的将书本知识进行搬移，课件演示使得课堂节奏过快，一些重要的理论知识无法深入理解，不会灵活变通。可见，课件演示结合板书的教学模式，很难达到预期的教学目的。应用辅助教学软件[4]，增强教学过程中的互动性，引发学生的学习积极性和创造性显得十分有必要。辅助教学软件的应用可形象地以图形化方法将一些烦琐、复杂、抽象的公式和定理演示给学生，使得枯燥的理论更加容易地被学生接受和理解。

Matlab软件为我们提供了强大的数值分析和计算结果可视化功能等工具箱，十分适合在《数字信号处理》课程中的应用。例如，在IIR滤波器的设计教学过程中，利用辅助教学软件演示滤波器设计的幅频或相频特性（如图1所示），并结合滤波器的应用实例（巴特沃斯滤波器应用——图像增强[4]），展示最终处理效果，如图2所示。这种教学方式不仅可以生动形象的阐述理论知识，还能借鉴实例讲解理论知识的运用，在增强学生的学习兴趣的同时还能引导学生积极地参与到课程的实践教学活动中去。

图1 巴特沃斯滤波设计

图2 巴特沃斯滤波器在图像增强中的应用

2.实践案例引入教学。《数字信号处理》课程与工程应用联系紧密，传授如何在工程中运用相关知识显得更为重要。目前，很多高校对专业基础课程的教学还停留在大量灌输理论知识阶段，不注重培养学生的实践经验，根本无法做到学以致用。针对这种现象，在教学过程中，应注重对重要的理论知识、信号处理方法的应用的讲解与介绍。例如，讲解离散傅里叶变换（DFT）时，介绍频谱分析在语音信号识别中的应用；学习数字滤波器的设计过程中，介绍图像信号的滤波处理的应用等。

在对某一知识体系讲授时，可以采用图片和音频或视频等形式有针对性地介绍不同技术在数字信号处理领域的相关应用，使得学生可以将基础学科所学知识和工程应用研究成果联系起来，有助于调动他们学习的积极性和主动性。在课程的中后期可采用专题介绍的形式将最新的有关数字信号处理的研究成果介绍给学生。鼓励学生积极参与相关课题的探讨，利用我院的实践平台（CDIO创新实验室），在教师的指导下完成一些创新项目的开发，锻炼学生的实践与创新能力。通过自学、讨论、查阅资料，并在教师指导下，参与教师承担的相关项目和科研活动，锻炼学生运用知识解决问题和创新能力。鼓励学生在整个教学中，力求通过各种手段将理论知识和实践相结合，让学生切实地体会到学以致用。

三、实践教学

为了更好的让学生掌握数字信号处理相关知识及方法，实践教学环节的设置必不可少。目前，大多数高校都存在实践课程与理论课程严重脱节的现象，学生很难将实践内容与理论课程结合在一起。我院采取理论教学与实践教学教师统一的方式，理论教师直接指导实践教学，使得理论教学和实践教学紧密结合，相辅相成。实验教学中，尽可能地做到课堂与实验室相互穿插，甚至可将课堂转移至实验室。当讲授某些重点知识后，马上进行相应地实验练习，加深对该知识理论的理解与掌握。

教师要对实验内容精心设计与安排，可根据学生的能力水平和兴趣因材施教，设置简单的验证性实验和应用性较强的综合设计性实验。对于验证性实验主要侧重理论知识的验证与深入理解，这部分实验可主要由教师讲解，学生独立完成；综合设计性实验主要锻炼学生对整个课程的全面理解与掌握以及如何利用课程内容解决实际问题的能力。结合数字信号处理在工程上的应用实例精心编排综合设计性实验[6-7]，教师给出与本课程相关的综合设计性题目供学生自主选择。学生要根据设计的要求，进行一定的自学与调研，通过查阅相关资料并与教师探讨自行设计方案，并进行方案验证完成设计实验的要求。在制定综合设计题目的同时尽量鼓励学生参与到教学活动中，调动其学习积极性。

例如，传统的IIR滤波器设计实验通常是教师给出数字滤波器的技术指标，学生按照设计滤波器步骤直接进行设计。这种实验的教学方式仅仅只是强化学生对数字滤波器设计步骤的记忆，无法让学生深入地理解到数字滤波器在数字信号处理领域如何运用，如何根据具体应用背景设定指标参数。因此，综合设计实验的选题一定要以实际的工程应用为前提。可以考虑以语音、图像或心电图信号的滤波（去噪）为应用背景，根据不同信号的特点及要求进行滤波器的设计。在设计的过程中，学生首先要学会各类信息的采集方法，接着，要求学生要熟悉各类信号的频谱分布状况，根据频谱分析确定滤波器的指标参数并进行滤波器的选型，最终还要对滤波器的滤波效果进行主客观评价。这种实践教学模式可以引导学生运用数字信号处理的知识来分析、解决问题，在研究中加深对基础知识的理解，提高利用理论知识解决问题的能力。

四、结束语

《数字信号处理》课程已成为各大高校电子、通信专业的基础课程，在各个领域应用广泛。该课程的理论性过强、公式复杂，传统的教学模式很难让学生理解数字信号处理的意义何在。数字信号处理课程的教学改革需要教师用心思考、精心设计。教学辅助软件的合理使用，将抽象的理论知识形象生动化，有助于加深对信号处理相关知识的理解，教学中贯穿实践案例，能够更好地帮助学生理解基础课程的实际意义，合理安排实验内容可有效地将理论与实践结合，大大增强学生的学习兴趣与积极性，从而达到提高教学质量的目的。

[1]杨毅明.数字信号处理[M].北京：机械工业出版社，2011.

[2]高西全，丁玉美.数字信号处理[M].第三版.西安电子科技大学出版社，2008.

[3]顾佩华，陆小华.CDIO工作坊手册[M].汕头大学出版社，2008.

[4]潘伟.Matlab在数字信号处理辅助教学中的应用[J].绵阳师范学院学报，2010，29（3）：99-103．

[5]闫敬文.数字图像处理MTLAB版（第二版）[M].国防工业出版社，2011.

[6]张峰，石现峰，张学智.数字信号处理原理及应用[M].北京：电子工业出版社，2012.

[7]许爽，李敏.综合设计性数字信号处理实验的探讨[J].大连民族学院学报，2010，12（3）：277-280.

G642.0

A

1674-9324（2014）20-0058-02

李莉（1984-），女，河南开封人，华侨大学厦门工学院电子信息工程系，助教，研究方向：数字图像处理、图像/视频编码。